aboutsummaryrefslogtreecommitdiffstats
path: root/buch/chapters
diff options
context:
space:
mode:
Diffstat (limited to 'buch/chapters')
-rw-r--r--buch/chapters/00-einleitung/chapter.tex12
-rw-r--r--buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/Makefile5
-rw-r--r--buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.pdfbin0 -> 15112 bytes
-rw-r--r--buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.tex253
-rw-r--r--buch/chapters/10-vektorenmatrizen/linear.tex294
5 files changed, 538 insertions, 26 deletions
diff --git a/buch/chapters/00-einleitung/chapter.tex b/buch/chapters/00-einleitung/chapter.tex
index 8433572..f673aa4 100644
--- a/buch/chapters/00-einleitung/chapter.tex
+++ b/buch/chapters/00-einleitung/chapter.tex
@@ -136,14 +136,14 @@ definiert, kann man neue Objekte mit zum Teil bekannten, zum Teil
aber auch ungewohnten algebraischen Eigenschaften bekommen.
Die Matrizen der Form
\[
-A_a
+aI
=
\begin{pmatrix} a&0\\0&a \end{pmatrix},
\quad
a\in\mathbb{Q}
\]
zum Beispiel erfüllen alle Regeln für das Rechnen mit rationalen Zahlen.
-$\mathbb{Q}$ kann man also als Teilmenge des neuen Systems ansehen.
+$\mathbb{Q}$ kann man also als Teilmenge des neuen ``Zahlensystems'' ansehen.
Aber die Matrix
\[
J
@@ -158,7 +158,7 @@ J^2 =
=
\begin{pmatrix} -1&0\\0&-1\end{pmatrix}
=
--E = -A_1.
+-I.
\]
Das neue Objekt $J$ ist ein explizit konstruiertes Objekt, welches
genau die rechnerischen Eigenschaften der imaginären Einheit $i$ hat.
@@ -169,11 +169,11 @@ Zum Beispiel erfüllt die Matrix
\[
W=\begin{pmatrix} 0&2\\1&0 \end{pmatrix}
\qquad\text{die Gleichung}\qquad
-W^2 = \begin{pmatrix} 2&0\\0&2\end{pmatrix} = A_2,
+W^2 = \begin{pmatrix} 2&0\\0&2\end{pmatrix} = 2I,
\]
die Menge der Matrizen
\[
-\mathbb{Q}(\sqrt{2})
+\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})
=
\left\{\left.
\begin{pmatrix} a&2b\\ b&a\end{pmatrix}
@@ -182,7 +182,7 @@ a,b\in\mathbb{Q}
\right\}
\]
verhält sich daher genau so wie die Menge der rationalen Zahlen, denen
-man ein ``imaginäres'' neues Objekt $\sqrt{2}$ hinzugefügt hat.
+man ein ``imaginäres'' neues Objekt $\!\sqrt{2}$ hinzugefügt hat.
Matrizen sind also ein Werkzeug, mit dem sich ein algebraisches Systeme
mit fast beliebigen Eigenschaften konstruieren lässt.
diff --git a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/Makefile b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/Makefile
index 664dff5..2c94e8a 100644
--- a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/Makefile
+++ b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/Makefile
@@ -3,7 +3,7 @@
#
# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
#
-all: ideale.pdf gausszahlen.pdf strukturen.pdf
+all: ideale.pdf gausszahlen.pdf strukturen.pdf rref.pdf
ideale.pdf: ideale.tex
pdflatex ideale.tex
@@ -13,3 +13,6 @@ gausszahlen.pdf: gausszahlen.tex
strukturen.pdf: strukturen.tex
pdflatex strukturen.tex
+
+rref.pdf: rref.tex
+ pdflatex rref.tex
diff --git a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.pdf b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.pdf
new file mode 100644
index 0000000..56fbfee
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.pdf
Binary files differ
diff --git a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.tex b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.tex
new file mode 100644
index 0000000..9b2bf50
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.tex
@@ -0,0 +1,253 @@
+%
+% rref.tex -- Visualisierung des Gauss-Algorithmus
+%
+% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
+%
+\documentclass[tikz]{standalone}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{times}
+\usepackage{txfonts}
+\usepackage{pgfplots}
+\usepackage{csvsimple}
+\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc}
+\begin{document}
+\def\skala{0.21}
+\def\r{0.4}
+\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0}
+\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala]
+
+\def\pivot#1#2{
+ \fill[color=red!20] ({#1-0.5},{-#2+0.5}) circle[radius=\r];
+ \draw[color=red] ({#1-0.5},{-#2+0.5}) circle[radius=\r];
+}
+
+\def\spalteoben#1#2#3{
+ \fill[color=blue!20] ({(#1)-0.5+\r},{-(#3)})
+ -- ({(#1)-0.5+\r},{-(#2)+0.5}) arc (0:180:\r)
+ -- ({(#1)-0.5-\r},{-(#3)}) -- cycle;
+ \draw[color=blue] ({(#1)-0.5+\r},{-(#3)})
+ -- ({(#1)-0.5+\r},{-(#2)+0.5}) arc (0:180:\r)
+ -- ({(#1)-0.5-\r},{-(#3)});
+}
+
+\def\spalteunten#1#2#3{
+ \fill[color=blue!20] ({(#1)-0.5-\r},{-(#2)+1})
+ -- ({(#1)-0.5-\r},{-(#3)+0.5}) arc (-180:0:\r)
+ -- ({(#1)-0.5+\r},{-(#2)+1});
+ \draw[color=blue] ({(#1)-0.5-\r},{-(#2)+1})
+ -- ({(#1)-0.5-\r},{-(#3)+0.5}) arc (-180:0:\r)
+ -- ({(#1)-0.5+\r},{-(#2)+1});
+}
+
+\def\fuellung{
+ \fill[color=gray!50] (0,0) rectangle (8,-6);
+}
+\def\rahmen{
+ \draw (0,0) rectangle (8,-6);
+ \draw (7,0) -- (7,-6);
+}
+
+\def\eins#1#2{
+ \fill[color=gray] ({#1-1},{-#2}) rectangle ({#1},{-#2+1});
+}
+
+\def\null#1#2#3{
+ \fill[color=white] ({#1-1-0.01},{-#3-0.01})
+ rectangle ({#1+0.01},{-#2+1+0.01});
+}
+
+\fill[color=darkgreen!20] (-1.0,-10.81) rectangle (67.0,5);
+\fill[color=orange!20] (-1.0,-27) rectangle (67.0,-11.94);
+
+\node at (33,2) [above] {Vorwärtsreduktion};
+\node at (33,-24) [below] {Rückwärtseinsetzen};
+
+\draw[->] (9,-3.375)--(11,-3.375);
+\draw[->] (21,-3.375)--(23,-3.375);
+\draw[->] (33,-3.375)--(35,-3.375);
+\draw[->] (45,-3.375)--(47,-3.375);
+
+\draw[->] (57,-3.375) .. controls (62,-3.375) .. (62,-7.5);
+\draw[->] (62,-15.375) .. controls (62,-19.375) .. (57,-19.375);
+
+\draw[<-] (9,-19.375)--(11,-19.375);
+\draw[<-] (21,-19.375)--(23,-19.375);
+\draw[<-] (33,-19.375)--(35,-19.375);
+\draw[<-] (45,-19.375)--(47,-19.375);
+
+\begin{scope}[xshift=-0.5cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\pivot{1}{1}
+\spalteoben{1}{2}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=11.5cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\pivot{2}{2}
+\spalteoben{2}{3}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=23.54cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\pivot{3}{3}
+\spalteoben{3}{4}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=35.5cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\pivot{5}{4}
+\spalteoben{5}{5}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=47.5cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\pivot{7}{5}
+\spalteoben{7}{6}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=57.5cm,yshift=-8cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=47.5cm,yshift=-16cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\spalteunten{7}{1}{4}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=35.5cm,yshift=-16cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\null{7}{1}{4}
+\spalteunten{5}{1}{3}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=23.5cm,yshift=-16cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\null{7}{1}{4}
+\null{5}{1}{3}
+\spalteunten{3}{1}{2}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=11.5cm,yshift=-16cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\null{7}{1}{4}
+\null{5}{1}{3}
+\null{3}{1}{2}
+\spalteunten{2}{1}{1}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\begin{scope}[xshift=-0.5cm,yshift=-16cm,scale=1.125]
+\fuellung
+\eins{1}{1}
+\null{1}{2}{6}
+\eins{2}{2}
+\null{2}{3}{6}
+\eins{3}{3}
+\null{3}{4}{6}
+\null{4}{4}{6}
+\eins{5}{4}
+\null{5}{5}{6}
+\null{6}{5}{6}
+\eins{7}{5}
+\null{7}{6}{6}
+\null{7}{1}{4}
+\null{5}{1}{3}
+\null{3}{1}{2}
+\null{2}{1}{1}
+\rahmen
+\end{scope}
+
+\end{tikzpicture}
+\end{document}
+
diff --git a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/linear.tex b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/linear.tex
index e868463..1311ded 100644
--- a/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/linear.tex
+++ b/buch/chapters/10-vektorenmatrizen/linear.tex
@@ -450,10 +450,10 @@ besagt also, dass das Element $c_{ij}$ entsteht als das Produkt
der Zeile $i$ von $A$ mit der Spalte $j$ von $C$.
\subsubsection{Einheitsmatrix}
-Welche $m\times m$-Matrix $E\in M_{m}(\Bbbk)$ hat die Eigenschaft, dass
-$EA=A$ für jede beliebige Matrix $A\in M_{m\times n}(\Bbbk)$.
-Wir bezeichnen die Koeffizienten von $E$ mit $\delta_{ij}$.
-Die Bedingung $EA=A$ bedeutet
+Welche $m\times m$-Matrix $I\in M_{m}(\Bbbk)$ hat die Eigenschaft, dass
+$IA=A$ für jede beliebige Matrix $A\in M_{m\times n}(\Bbbk)$.
+Wir bezeichnen die Einträge von $I$ mit $\delta_{ij}$.
+Die Bedingung $IA=A$ bedeutet
\[
a_{ij} = \delta_{i1}a_{1j} + \dots + \delta_{im}a_{mj},
\]
@@ -473,15 +473,15 @@ Die Zahlen $\delta_{ij}$ heissen auch das {\em Kronecker-Symbol} oder
{\em Kronecker-Delta}.
\index{Kronecker-$\delta$}%
\index{Kronecker-Symbol}%
-Die Matrix $E$ hat die Einträge $\delta_{ij}$ und heisst die
+Die Matrix $I$ hat die Einträge $\delta_{ij}$ und heisst die
{\em Einheitsmatrix}
\index{Einheitsmatrix}%
\[
-E
+I
=
\begin{pmatrix}
1 &0 &\dots &0 \\
-0 &1 &\dots &0 \\
+0 &1 &\dots &0 \\[-2pt]
\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\
0 &0 &\dots &1
\end{pmatrix}.
@@ -504,13 +504,14 @@ Mit Hilfe der Vektorform eines linearen Gleichungssystems wurde
gezeigt, dass die Lösung genau dann eindeutig ist, wenn die Spaltenvektoren
der Koeffizientenmatrix linear unabhängig sind.
Dies bedeutet, dass das Gleichungssystem
-\[
+\begin{equation}
\begin{linsys}{3}
a_{11}x_1 &+& \dots &+& a_{1n}x_n &=& 0 \\
\vdots & & \ddots& & \vdots & & \vdots \\
a_{m1}x_1 &+& \dots &+& a_{mn}x_n &=& 0
\end{linsys}
-\]
+\label{buch:grundlagen:eqn:homogenessystem}
+\end{equation}
eine nichttriviale Lösung haben muss.
Das Gleichungssystem $Ax=b$ ist also genau dann eindeutig lösbar, wenn
das homogene Gleichungssystem $Ax=0$ nur die Nulllösung hat.
@@ -531,7 +532,235 @@ eindeutig, wenn das zugehörige homogene Gleichungssystem eine nichttriviale
Lösung hat.
\subsubsection{Gauss-Algorithmus}
-
+Der Gauss-Algorithmus oder genauer Gausssche Eliminations-Algorithmus
+löst ein lineare Gleichungssystem der
+Form~\eqref{buch:vektoren-und-matrizen:eqn:vektorform}.
+Die Koeffizienten werden dazu in das Tableau
+\[
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+a_{11}&\dots &a_{1n}&b_1 \\[-2pt]
+\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{m1}&\dots &a_{mn}&b_m \\
+\hline
+\end{tabular}
+\]
+geschrieben.
+Die vertikale Linie erinnert an die Position des Gleichheitszeichens.
+Es beinhaltet alle Informationen zur Durchführung des Algorithmus.
+Der Algorithmus is so gestaltet, dass er nicht mehr Speicher als
+das Tableau benötigt, alle Schritte operieren direkt auf den Daten
+des Tableaus.
+
+In jedem Schritt des Algorithmus wird zunächst eine Zeile $i$ und
+Spalte $j$ ausgewählt, das Elemente $a_{ij}$ heisst das Pivotelement.
+\index{Pivotelement}%
+Die {\em Pivotdivision}
+\[
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+a_{11}&\dots &a_{1j}&\dots &a_{1n}&b_1 \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{i1}&\dots &{\color{red}a_{ij}}&\dots &a_{in}&b_i \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{m1}&\dots &a_{mj}&\dots &a_{mn}&b_m \\
+\hline
+\end{tabular}
+\rightarrow
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+a_{11}&\dots &a_{1j}&\dots &a_{1n}&b_1 \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+{\color{red}\frac{a_{i1}}{a_{ij}}}&\dots &{\color{red}1}&\dots &{\color{red}\frac{a_{in}}{a_{ij}}}&{\color{red}\frac{b_i}{a_{ij}}}\\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{m1}&\dots &a_{mj}&\dots &a_{mn}&b_m \\
+\hline
+\end{tabular}
+\]
+stellt sicher, dass das Pivot-Element zu $1$ wird.
+\index{Pivotdivision}
+Dies ist gleichbedeutend mit der Auflösung der Gleichung $i$ noch der
+Variablen $x_j$.
+Mit der {\em Zeilensubtraktion} auf Zeile $k\ne i$ können die Einträge in der
+Spalte $j$ zu Null gemacht werden.
+Dazu wird das $a_{kj}$-fache der Zeile $i$ von Zeile $k$ subtrahiert:
+\[
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{i1}&\dots &{\color{red}1}&\dots &a_{in}&b_i \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{k1}&\dots &a_{kj}&\dots &a_{kn}&b_m \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+\hline
+\end{tabular}
+\rightarrow
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+a_{i1}&\dots &{\color{red}1}&\dots &a_{in}&b_i \\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+{\color{blue}a_{k1}-a_{kj}a_{i1}}&\dots &{\color{blue}0}&\dots &{\color{blue}a_{kn}-a_{kj}a_{in}}&{\color{blue}b_m-a_{kj}b_{n}}\\[-2pt]
+\vdots& &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+\hline
+\end{tabular}
+\]
+Typischerweise werden nach jeder Pivotdivision mehrer Zeilensubtraktionen
+durchgeführt um alle anderen Elemente der Pivotspalte ausser dem
+Pivotelement zu $0$ zu machen.
+Beide Operationen können in einem Durchgang durchgeführt werden.
+
+Die beiden Operationen Pivotdivision und Zeilensubtraktion werden jetzt
+kombiniert um im linken Teil des Tableaus möglichst viele Nullen und
+Einsen zu erzeugen.
+Im Idealfall wird ein Tableau der Form
+\[
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1& 0&\dots & 0&u_1 \\
+ 0& 1&\dots & 0&u_2 \\[-2pt]
+\vdots&\vdots&\ddots&\vdots&\vdots\\
+ 0& 0&\dots & 1&u_m \\
+\hline
+\end{tabular}
+\]
+erreicht, was natürlich nur $m=n$ möglich ist.
+Interpretiert man die Zeilen dieses Tableaus wieder als Gleichungen,
+dann liefert die Zeile $i$ den Wert $x_i=u_i$ für die Variable $i$.
+Die Lösung kann also in der Spalte rechts abgelesen werden.
+
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/10-vektorenmatrizen/images/rref.pdf}
+\caption{Zweckmässiger Ablauf der Berechnung des Gauss-Algorithmus.
+Falls in einer Spalte kein weiteres von $0$ verschiedenes Pivotelement
+zur Verfügung steht, wird die Zeile übersprungen.
+Weisse Felder enthalten $0$, dunkelgraue $1$.
+Die roten Kreise bezeichnen Pivot-Elemente, die blauen Felder
+die mit einer Zeilensubtraktion zu $0$ gemacht werden sollen.
+\label{buch:grundlagen:fig:gaussalgorithmus}}
+\end{figure}
+Die effizienteste Strategie für die Verwendung der beiden Operationen
+ist in Abbildung~\ref{buch:grundlagen:fig:gaussalgorithmus} dargestellt.
+In der Phase der {\em Vorwärtsreduktion} werden Pivotelemente von links
+nach rechts möglichst auf der Diagonale gewählt und mit Zeilensubtraktionen
+die darunterliegenden Spalten freigeräumt.
+\index{Vorwärtsreduktion}%
+Während des Rückwärtseinsetzens werden die gleichen Pivotelemente von
+rechts nach links genutzt, um mit Zeilensubtraktionen auch die
+Spalten über den Pivotelemnten frei zu räumen.
+\index{Rückwärtseinsetzen}%
+Wenn in einer Spalte kein von $0$ verschiedenes Element als Pivotelement
+zur Verfügung steht, wird diese Spalte übersprungen.
+Die so erzeuge Tableau-Form heisst auch die {\em reduzierte Zeilenstufenform}
+({\em reduced row echelon form}, RREF).
+\index{reduzierte Zeilenstufenform}%
+\index{reduced row echelon form}%
+
+Da der Ablauf des Gauss-Algorithmus vollständig von den Koeffizienten der
+Matrix $A$ bestimmt ist, kann er gleichzeitig für mehrere Spalten auf der
+rechten Seite oder ganz ohne rechte Seite durchgeführt werden.
+
+\subsubsection{Lösungsmenge}
+\index{Lösungsmenge}%
+Die Spalten, in denen im Laufe des Gauss-Algorithmus kein Pivotelement
+gefunden werden kann, gehören zu Variablen, nach denen sich das
+Gleichungssystem nicht auflösen lässt.
+Diese Variablen sind daher nicht bestimmt, sie können beliebig gewählt
+werden.
+Alle anderen Variablen sind durch diese frei wählbaren Variablen
+bestimmt.
+
+Für ein Gleichungssystem $Ax=b$ mit Schlusstableau
+\index{Schlusstableau}%
+\begin{equation}
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ x_1& x_2&\dots &x_{j_i-1}&{\color{darkgreen}x_{j_1}}&x_{j_1+1}&\dots &x_{j_2-1}&{\color{darkgreen}x_{j_2}}&\dots&{\color{darkgreen}x_{j_k}}& \\
+\hline
+ 1& 0&\dots & 0&c_{1j_1} & 0&\dots & 0&c_{1j_2} &\dots &c_{1j_k} &d_1 \\
+ 0& 1&\dots & 0&c_{2j_1} & 0&\dots & 0&c_{2j_2} &\dots &c_{1j_k} &d_2 \\[-2pt]
+\vdots&\vdots&\ddots&\vdots &\vdots &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots &\ddots&\vdots &\vdots \\
+ 0& 0&\dots & 1&c_{i_1,j_1}& 0&\dots & 0&c_{i_1,j_2} &\dots &c_{i_1j_k} &d_{i_1} \\
+ 0& 0&\dots & 0& 0& 1&\dots & 0&c_{i_1+1,j_2}&\dots &c_{i_1+1,j_k}&d_{i_1+1}\\[-2pt]
+\vdots&\vdots&\ddots&\vdots &\vdots &\vdots&\vdots&\vdots&\vdots &\ddots&\vdots &\vdots \\
+ 0& 0&\dots & 0& 0& 0&\dots & 1&c_{i_2,j_2} &\dots &c_{i_2j_k} &d_{i_2} \\
+ 0& 0&\dots & 0& 0& 0&\dots & 0& 0&\dots &c_{i_2+1,j_k}&d_{i_2+1}\\[-2pt]
+\vdots&\vdots&\ddots&\vdots &\vdots &\vdots&\ddots&\vdots&\vdots &\ddots&\vdots &\vdots \\
+ 0& 0&\dots & 0& 0& 0&\dots & 0& 0&\dots &c_{mj_k} &d_{m} \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{equation}
+mit den $k$ frei wählbaren Variablen
+$x_{j_1}, x_{j_2},\dots, x_{j_k}$ kann die Lösungsmenge als
+\[
+\mathbb{L}
+=
+\left\{
+\left.
+\begin{pmatrix}
+d_1\\
+d_2\\
+\vdots\\
+d_{i_1}\\
+d_{i_1+1}\\
+\vdots\\
+d_{i_2}\\
+d_{i_2+1}\\
+\vdots\\
+d_{m}
+\end{pmatrix}
++
+{\color{darkgreen}x_{j_1}}
+\begin{pmatrix}
+-c_{1j_1}\\
+-c_{2j_1}\\
+\vdots\\
+-c_{i_1,j_1}\\
+1\\
+\vdots\\
+0\\
+0\\
+\vdots\\
+0\\
+\end{pmatrix}
++
+{\color{darkgreen}x_{j_1}}
+\begin{pmatrix}
+-c_{1j_2}\\
+-c_{2j_2}\\
+\vdots\\
+-c_{j_1,j_2}\\
+-c_{j_1+1,j_2}\\
+\vdots\\
+-c_{i_2,j_2}\\
+1\\
+\vdots\\
+0\\
+\end{pmatrix}
++
+\dots
++
+{\color{darkgreen}x_{j_k}}
+\begin{pmatrix}
+-c_{1j_k}\\
+-c_{2j_k}\\
+\vdots\\
+-c_{j_1,j_k}\\
+-c_{j_1+1,j_k}\\
+\vdots\\
+-c_{i_2,j_k}\\
+-c_{i_2+1,j_k}\\
+\vdots\\
+-c_{m,j_k}\\
+\end{pmatrix}
+\;
+\right|
+{\color{darkgreen}x_{i_1}},{\color{darkgreen}x_{i_2}},\dots,{\color{darkgreen}x_{i_k}}\in\Bbbk
+\right\}
+\]
+geschrieben werden.
+Insbesondere ist die Lösungsmenge $k$-dimensional.
\subsubsection{Inverse Matrix}
Zu jeder quadratischen Matrix $A\in M_n(\Bbbk)$ kann man versuchen, die
@@ -541,7 +770,7 @@ Ac_1 = e_1,\quad Ac_2 = e_2, \dots, Ac_n = e_n
\]
mit den Standardbasisvektoren $e_i$ als rechten Seiten zu lösen, wobei
die $c_i$ Vektoren in $\Bbbk^n$ sind.
-Diese Vektoren kann man mit Hilfe des Gaussalgorithmus finden:
+Diese Vektoren kann man mit Hilfe des Gauss-Algorithmus finden:
\[
\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
\hline
@@ -590,14 +819,14 @@ die zu $A$ {\em inverse Matrix}.
\index{inverse Matrix}
Sie wird auch $C=A^{-1}$ geschrieben.
-Die Definition der inversen Matrix stellt sicher, dass $AA^{-1}=E$ gilt,
-daraus folgt aber noch nicht, dass auch $A^{-1}A=E$ ist.
+Die Definition der inversen Matrix stellt sicher, dass $AA^{-1}=I$ gilt,
+daraus folgt aber noch nicht, dass auch $A^{-1}A=I$ ist.
Diese Eigenschaft kann man jedoch wie folgt erhalten.
-Sei $C$ die inverse Matrix von $A$, also $AC=E$.
-Sei weiter $D$ die inverse Matrix von $C$, also $CD=E$.
-Dann ist zunächst $A=AE=A(CD)=(AC)D=ED=D$ und weiter
-$CA=CD=E$.
-Mit der Bezeichnung $C=A^{-1}$ erhalten wir also auch $A^{-1}A=E$.
+Sei $C$ die inverse Matrix von $A$, also $AC=I$.
+Sei weiter $D$ die inverse Matrix von $C$, also $CD=I$.
+Dann ist zunächst $A=AE=A(CD)=(AC)D=ID=D$ und weiter
+$CA=CD=I$.
+Mit der Bezeichnung $C=A^{-1}$ erhalten wir also auch $A^{-1}A=I$.
Die Eigenschaften der Matrizenmultiplikation stellen sicher,
dass die Menge der invertierbaren Matrizen eine Struktur bilden,
@@ -605,7 +834,7 @@ die man Gruppe nennt, die in Abschnitt~\ref{buch:grundlagen:subsection:gruppen}
genauer untersucht wird.
In diesem Zusammenhang wird dann auf
Seite~\pageref{buch:vektorenmatrizen:satz:gruppenregeln}
-die Eigenschaft $A^{-1}A=E$ ganz allgemein gezeigt.
+die Eigenschaft $A^{-1}A=I$ ganz allgemein gezeigt.
\subsubsection{Determinante}
@@ -874,5 +1103,32 @@ Das Bild der Matrix $A$ ist der Unterraum
\]
von $\Bbbk^m$, aufgespannt von den Spaltenvektoren $a_i$ von $A$.
+\subsubsection{Rang und Defekt}
+Die Dimensionen von Bild und Kern sind wichtige Kennzahlen einer Matrix.
+\begin{definition}
+Sei $A$ eine Matrix $A\in M_{m\times n}(\Bbbk)$.
+Der {\em Rang} der Matrix $A$ ist die Dimension des Bildraumes von $A$:
+$\operatorname{rank}A=\dim\operatorname{im} A$.
+\index{Rang einer Matrix}%
+Der {\em Defekt} der Matrix $A$ ist die Dimension des Kernes von $A$:
+$\operatorname{def}A=\dim\ker A$.
+\index{Defekt einer Matrix}%
+\end{definition}
+
+Da der Kern mit Hilfe des Gauss-Algorithmus bestimmt werden kann,
+können Rang und Defekt aus dem Schlusstableau
+eines homogenen Gleichungssystems mit $A$ als Koeffizientenmatrix
+abgelesen werden.
+
+\begin{satz}
+Ist $A\in M_{m\times n}(\Bbbk)$ eine $m\times n$-Matrix,
+dann gilt
+\[
+\operatorname{rank}A
+=
+n-\operatorname{def}A.
+\]
+\end{satz}
+
\subsubsection{Quotient}
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